Энергосбережение. Новейшие разработки в области энергосбережения

      Природа преподнесла нам, землянам, удивительный подарок - Солнце. Его энергии вполне хватят не только чтобы обогреть нашу планету, но и вволю напоить электричеством. Только вот энергию дневного светила  надо брать не с поверхности Земли, где условия чаще всего ненадежны, а с околоземной орбиты, где  Солнце светит круглосуточно, да и плотность  энергия почти в 15 раз выше.

Идея создания орбитальных электростанций - не новость. Впервые ее высказал в печати еще  в 1960 году наш соотечественник П. А. Варваров, а позже поддержал  американец П.Е.Гпейзер.

      Специалисты проанализировали как  достоинства, так и недостатки способа получения  энергии. Чтобы преобразовать свет в электричество и переправить  его на Землю, необходимо  доставить  на орбиту и развернуть там огромные конструкции солнечных элементов. По предварительным расчётам, их площадь  должна составлять 100 квадратных километров и более.

      В космос предстоит “забросить” десятки  тысяч тонн грузов. Но ни одноразовые  носители типа современных ракет, включая  наиболее совершенный “Протон”, ни многоразовые “шаттлы” сегодня с  такой задачей не справляются.

      Да  и как передавать получаемую энергию  на Землю? В 1965г. провели такой эксперимент. С одной горной вершины на другую была передана электроэнергия с помощью  СВЧ-излучения. Правда, ее хватило лишь на то, чтобы зажечь... гирлянду лампочек. Но американские инженеры полагают, что  конце XXI столетия таким способа можно будет транспортировать 100 ТВт электроэнергии! Одним словом, целую Ниагару!

Но не выгоднее ли и проще строить солнечные  электростанции на Луне? Анализ поверхностного слоя грунта нашего спутника, доставленного  беспилотными космическими аппаратами, “Луна” и пилотируемыми экспедиция. «Аполлонов», показал, что он мог  бы послужить не только строительным материалом для эпектростанции, но и топливом для двигательных установок межорбитальных буксиров. С учетом это в настоящее время рассматривают минимум три варианта энергоснабжения Земли из космоса.

В одном из них  предусматривает развертывание  сотен сравнительно не больших солнечных  электростанций (мощностью до 10 ГВт) на геостационарной орбите. На Луну же в таком случае достдапяетея только горнодобывающее оборудование и комплекс для переработки грунта. Изготовленные там элементы станции транспортируются орбиту с помощью многоразовых буксиров, работающих на топливе, вырабатываемом из лунного грунта. При этом лунных ракет-носителей понадобится 35 раз меньше по суммарной масс чем наземных.

Есть и такой  вариант: на поверхности Луны строятся крупногабаритные энергоизлучающие СВЧ-станции с питанием антенных решеток от фотоэлектрических преобразователей. При мощности комплекса до 1 ГВт габариты антенн могут достигать 100 км. На окололунные орбиты выводятся отражатели солнечных лучей, а на околоземные - СВЧ-отражатели. С их помощью энергия передается в любой район Земли.

При сооружении такой системы не понадобится  переправлять большое количество грузов с Луны на околоземную орбиту, хотя масштабы работ все же будут немалые. Для развертывания комплексов суммарной  мощностью 10 ТВт потребуется в  течение 30 лет переработать около 300 млн. т грунта на Луне к создать около 200 млн. т конструкции на орбитах Земли и ее спутника. Достоинство данного проекта - принципиальная возможность передачи энергии с Луны узкоприцельными пучками за счет больших размеров передающих антенн.

Наконец, прогнозируется также строительство на Луне промышленного  комплекса по добыче гелия-3, который  либо будет переправляться на Землю, где с его помощью на термоядерных электростанциях с экологически чистым циклом станут вырабатывать электроэнергию, либо использовать в подобных же реакторах  на Луне, а уж полученную энергия  переправлять на нашу планету. Этот вариант  привлекателен еще и тем, что  при производстве гелия-3 попутно  получают водород, воду, метан, азот и  другие вещества, необходимые для  жизнеобеспечения лунных комплексов обитателей.

С чего начать?

Подобные проекты, понятное дело, осуществить непросто, даже при широком международном  сотрудничестве. Поэтому разработчики разбили их на несколько этапов.

В 2000 - 2015 годах  после завершения научно-исследовательских  работ предполагается развернуть системы  освещения, энерго- и теплоснабжения отдельных районов Земли из космоса, а также наладить транспортную космическую систему по маршруту Земля - Луна - Земля для обслуживания первого поселения людей на Луне со сменным экипажем численностью до 10 человек.

Кроме того, на низкой орбите (высота 1000 км, наклонение 97 градусов) создаются солнечные космические  электростанции (СКЭС) мегаваттной мощности.

СКЭС массой порядка 100т. нетрудно вывести на орбиту с помощью ракетоносителя «Энергия»  и доразгонного блока. Двух таких станций достаточно, чтобы обеспечить энергией несколько поселков в труднодоступных районах Заполярья или Сибири либо питать множество маяков, метеостанции, буев, использующих ныне небезопасные радиоизотопные источники.

      СКЭС  будут работать по накопительной  схеме. Солнечная энергия, переводимая  в электрическую, собирается в аккумуляторах или конденсаторах, а затем передается потребителю в виде СВЧ-энергии за те 7 - 8 минут, пока станция пролетает в пределах прямой видимости.

      На  следующем этапе - в 2015 - 2030 годы получит  дальнейшее развитие система ночного  освещения земных населенных пунктов  “космическим“ электричеством. Откроется возможность подачи его в районы стихийны бедствий, где нарушено энергоснабжение. Предполагаются испытания первых транспортных средств (скажем, самолётов), которые будут получать энергию непосредственно из космоса.

      Наконец, после 2030 г. можно ожидать заметного  повышения мощности лунной базы. И  со временем она сможет полностью  обеспечивать энергией всю нашу планету.

И плюсы, и минусы

      Журналистов, присутствовавших на пресс-конференции, интересовало: а не повлияют ли пагубно  на все живое предлагаемые способы  передачи энергии из космоса мощнейшими пучками энергии?

      Академик  А-С-Коротеев пояснил, что ученые рассматривают два варианта передачи энергии - по лазерному или СВЧ-пучу. Японские исследователи отдают предпочтение первому, наши - второму. КПД лазерных систем в лучшем случае составляет 15 - 20%, а СВЧ-систем - до 90%. К тому же производство лазеров технологически сложнее.

      Правда, СВЧ-пуч порождает в атмосфере ионизированные каналы, но ведь от ионизации можно получать и пользу, например, выжигая фреон в ионосфере и тем самым уменьшая «парниковый» эффект.

Что же касается вредного воздействия излучения  на нижние слои атмосферы и непосредственно  на поверхность планеты, то специалисты  надеются свести его к минимуму. Можно до биться, что ионизированные каналы будут очень небольших диаметров, а луч точно нацелен на приемные антенны. Интенсивность же излучения за пределами канала резко уменьшается. В целом негативные последствия применения новой энергетической системы будут куда меньшими, чем, скажем, от воздействия нынешних тепловых электростанций.

      В космическую систему энергоснабжения  предполагается включить и ныне существующие гидроэлектростанции, в том числе  приливные. Но не станут передавать энергию  по проводам, как это делается сейчас, а через антенны будут переправлять ее в космос, а уж оттуда, с помощью  ретрансляторов, к наземным потребителям. Таким образом специалисты надеются существенно сократить потери электроэнергии при ее передаче, которые ныне составляют около 30% !

      Вдумайтесь  в эту цифру. Даже ее сокращение позволит серьезно уменьшить и затраты  и вредное воздействие современных энергокомплексов на природу.

11. Ветроэнергетика

Пожиратель  ветра.

На первый взгляд ветер кажется самым доступным  из возобновляемых источников энергии. В самом деле: не в пример Солнцу, он вполне "работоспособен" на юге  и на севере, зимой и летом, днем и ночью, в дождь и туман. Однако на этом все достоинства и кончаются; дальше, увы, - сплошные недостатки... Прежде всего, это очень рассеянный энергоресурс. Природа не собрала ветры в каких-то отдельных "месторождениях", подобно горючим ископаемым. И не пустила их течь по руслам, подобно рекам. Всякая движущаяся воздушная масса "размазана" по огромной территории. Правда, рассеянность, малая концентрация характерна и для солнечной энергии. Но с ветром еще хуже. Его основные параметры - скорость и направление - меняются гораздо быстрее, в более широких пределах и совершенно непредсказуемо. В итоге по надежности он почти везде уступает Солнцу. Отсюда и вытекают две главные проблемы проектирования ветроэнергетических установок (ВЭУ).

Во-первых, с  учетом рассеянности ветра стремятся "снимать" его кинетическую энергию  с максимальной площади. Что имеется  в виду? Для ВЭУ обычной конструкции (ветровое колесо на горизонтальной оси) - это площадь круга, который описывают лопасти при вращении; у специалистов она называется сметаемой площадью (ОГО. Отсюда вроде бы следует, что диаметр колеса (длину лопастей) надо всячески наращивать. И действительно: известны проекты гигантских ВЭУ с диаметром ветроколеса до 120 м. Но для таких габаритов сильные ветры, в принципе более "выгодные", становятся уже нежелательными - из соображений безопасной эксплуатации. К тому же, рассчитывая прочность, тут приходится дополнительно страховаться даже от маловероятных ураганных порывов и тем еще больше перетяжелять громоздкую конструкцию. Путь явно тупиковый.

Во-вторых, еще  важнее добиться равномерности, постоянства  ветрового потока на лопастях. Ведь в конечном счете качество электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, определяется именно стабильностью момента вращения и угловой скорости на валу ее генератора. Но если предыдущая проблема решается хотя бы до известного предела, то эта пока не решается никак.

Общий вывод, видимо, ясен: нужна установка принципиально  новой конструкции. Нащупать подходы  к ней помогут несложные математические изыскания. Посмотрим, от каких основных параметров зависит энергетическая эффективность ВЭУ.

Как известно, кинетическая энергия движущегося тела

      W = mV ² / 2 .

Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость. С массой m чуть сложнее. В данном случае берется  масса объема воздуха, проходящего  через ОП в единицу времени. Значит,

      m = pSV,

      где р - плотность воздуха, S - ОП, V - та же скорость ветра. И тогда исходное выражение принимает вид

      W = рSV ³ / 2 .

Это величина энергии  в единицу времени, по сути - мощность. Итак, значение W определяется двумя  переменными - S и V. Как в принципе можно ее увеличить? Если за счет S, то прийдется смириться с неизбежным ростом габаритов и массы ВЭУ (см. выше).

Цифрами обозначены: 1 - направление ветра; 2 - воздухозаборное  устройство; 3 - входные воздуховоды; 4 - конфузор; 5 - серводвигатель поворота; 6 - поворотный круг; 7 - диаметр ВУ; в - устройство сброса; 9 - отводящие воздуховоды; 10 -диффузор; 11 - рабочий канал; 12 - электрогенератор, 13 - турбина.  

Но из полученной формулы виден и другой порок  такого "лобовного" подхода: ОТ связана с площадью 3 прямо пропорционально, линейно. Зато влияние скорости V гораздо сильнее - зависимость тут уже кубическая. Насколько важна эта разница, поясним на примере.

Допустим, нам  удалось каким-то путем удвоить  величину V. Понятно, что мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы решим сохранить  прежнюю мощность установки, то сможем соответственно уменьшить ОП ветрового  колеса. Тогда его диаметр (то есть, в первом приближении, и остальные линейные размеры ВЭУ) сократился бы в Ö 8 = 2,83 раза. Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5 раз ( Ö27), ит.д.

Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужно  загнать его в некое подобие  аэродинамической трубы, попросту говоря - в сужающийся канал. В нем, как  известно, скорость потока растет обратно  пропорционально площади сечения. А общий коэффициент ускорения  равен отношению площадей входного и выходного отверстий. Даже для  обычных ВЭУ уже разработаны подобные устройства - так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем ОП.

Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли  по нему дальше? Сделаем входное  сечение конфузара переменным - и сразу решим ту, "нерешаемую", проблему - поддержания постоянной скорости потока на лопастях независимо от капризов ветра! Проще всего тут применить поворотное воздухозаборное устройство (ВУ). Легко понять, что его эффективное сечение максимально в направлении "фордевинд" и уменьшается при отклонении в любую сторону. Причем такое ВУ способно ловить ветер со всех румбов, и потому остальные элементы можно сделать неподвижными, да и смонтировать прямо на земле, что гораздо удобнее.